基于89C51單片機的環境噪聲測量儀的設計

　　環境噪聲監測,是人類提高生活質量,加強環境保護的一個重要環節,在各大城市的繁華街區和居民區,已有大型環境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國內的便攜式噪聲測試儀,多為價格昂貴的進口專用設備,除衛生、計量等環保專業部門擁有外,無法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C51單片機為核心,采用V/F轉換技術構成的低成本、便攜式數字顯示環境噪聲測量儀。該儀器工作穩定、性能良好,經校驗定標后能滿足一般民用需要,可廣泛應用于工礦企業、機關學校等需要對環境噪聲進行測量和控制的場合。

　　1 聲壓級的測量機理

　　人耳的聽閾一般是20m Pa (微帕),痛閾一般是200Pa（帕）,其間相差107倍,這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量,而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線性特征。因此,聲學中常用聲壓級LP來反映聲壓的變化,將聲壓p的聲壓級表示成

　　LP=20lg(p/p0) dB　 (1)

　　其中,基準量p0為20m Pa。當p=p0時,Lp=0dB,而當p=200 Pa時,LP=140dB。

　　用聲級計可以測量聲壓級,采用1kHz純音輸入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上,即可得到真實聲壓級或平均聲壓級。考慮到人耳對不同頻率的響度感覺,在噪聲測量中,常取40方（phon）等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權校正,即用A計權網絡測得A聲級,寫成dB（A）。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關系。

　　表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關系

　　2 硬件電路構成

　　環境噪聲測量儀的硬件結構原理框圖見圖1所示。

　　圖1 硬件原理框圖

　　環境噪聲經高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉換成電信號。所用傳聲器頻率特性在50～14000Hz范圍內不均勻度小于1.5 dB,加防風罩、防雨罩后可用于室外測量。由運放LM324構成三級放大電路,精心調整相關外圍元件參數,可使其幅頻特性與A計權曲線相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網絡,其輸出直流電平反映了噪聲聲壓的大小。

　　由LM331構成電壓/頻率轉換電路,輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的P3.4引腳,作為T0的計數脈沖。該轉換電路線性良好,抗干擾能力強,輸出頻率范圍在10～10000Hz以上,其變化比達103,優于普通8位并行A/D轉換器,有利于提高系統的測量范圍。圖1中,Rs可用來調節增益偏差,改變輸出頻率。

　　系統的核心部分是AT89C51單片機,其指令系統與MCS-51完全兼容,且片內帶4kb的E2PROM,可以方便地構成一個最小測量系統。其P3.5引腳接入由NE555構成的定時器輸出的100kHz方波,通過T1中斷去控制T0定時計數。從T0端輸入的計數脈沖頻率,即反映了所測聲壓的大小。經軟件處理后,噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出,經74LS248譯碼再驅動兩位4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數碼管顯示,適當控制譯碼器使能端,使兩數碼管輪流發光實現動態顯示,降低功耗。

　　3 軟件設計

　　環境噪聲測量系統的軟件采用模塊化設計,由主程序、中斷服務程序、查表子程序和顯示子程序組成。各程序模塊的流程圖如圖2所示。

　　主程序處于循環工作狀態,主要完成定時/計數器和中斷系統的初始化,并循環調用查表和顯示子程序。每當T1對外接100kHz時鐘計數達0.5秒后,申請中斷,CPU響應中斷后即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計數值,并重新初始化T0、T1,以便檢測下一次的數據。

　　圖2 軟件流程圖

　　值得指出的是,查表程序實現了計數值向聲壓級的轉換。由式（1）知聲壓每增加12.2%,聲壓級增加1dB,因此T0計數值每增加12.2%,聲壓級增加1dB。在E2PROM中定義一張表格,每三個字節為一組數據,其中前兩個字節為計數值,后一個字節為壓縮BCD碼表示的聲壓級值。調試時,參照精密聲級計,讀出某聲壓級所對應的計數值,從而確定表格中兩參數的對應關系,當程序固化后,還可通過硬件電路對其進行調整。下面給出定義該表格的偽指令格式。

　　其中,“0AAH”、“0BBH”兩個數據經譯碼后分別顯示下限標記“[”和上限標記“]”,表示超出測量范圍。

　　為了提高系統的抗干擾能力,除了在硬件上采取了相應的措施外,軟件上采用了冗余設計法即重復重要的指令,未用空間設置空操作指令,以防止程序跳飛而死機。

　　4 結束語

　　用國營江西紅聲器材廠生產的ND-2型精密聲級計對系統進行校驗,測量誤差小于1dB,測量范圍在40～96 dB之間,已滿足一般環境下噪聲的測量要求。